第11章图像传感器 ·207· 半导体表面层中形成带负电荷的耗尽层。此时，称MOS电容器处于耗尽状态。由于半 导体内电位相对于金属为负，在半导体内部的电子能量高。因此，在耗尽层中电子的能 量从体内到表面时从高向低变化的，能量呈弯曲形状，如图11-10(b)所示。由于此时半 导体表面处的电势（称表面势或界面势）比内部高，故若附近有电子存在，将移向表面 处。栅压U6增加，表面势也增加，表面积聚的电子浓度也增加。但在耗尽状态，耗尽 区中电子浓度与体内空穴浓度相比是可以忽路不计的。 当栅压U6增大到超过某个特定电压U时，表面势进一步增加，能带进一步向下弯 曲，使半导体表面处的费米能级高于禁带中央能级见图11-10(c。此时，半导体表面聚 焦的电子浓度将大大增加。我们把界面上的电子层称为反型层。特定电压U是指半号体 表面积累的电子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常把Uh称为MOS管的开启电压。 1 ZZ☑ P-Si N-Si (aN沟 (6P沟 1-金属2-绝缘层Si0: 图11-9MOS电容的结构
11 ·207· 半导体表面层中形成带负电荷的耗尽层。此时，称 MOS 电容器处于耗尽状态。由于半 导体内电位相对于金属为负，在半导体内部的电子能量高。因此，在耗尽层中电子的能 量从体内到表面时从高向低变化的，能量呈弯曲形状，如图 11-10(b)所示。由于此时半 导体表面处的电势（称表面势或界面势）比内部高，故若附近有电子存在，将移向表面 处。栅压 UG 增加，表面势也增加，表面积聚的电子浓度也增加。但在耗尽状态，耗尽 区中电子浓度与体内空穴浓度相比是可以忽略不计的。 当栅压 UG 增大到超过某个特定电压 Uth 时，表面势进一步增加，能带进一步向下弯 曲，使半导体表面处的费米能级高于禁带中央能级,见图 11-10(c)。此时，半导体表面聚 焦的电子浓度将大大增加。我们把界面上的电子层称为反型层。特定电压 Uth 是指半导体 表面积累的电子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常把 Uth 称为 MOS 管的开启电压。 图 11-9 MOS 电容的结构
·208 传感器技术设计与应用 氧化物 半导体 E。 E。:导带底能量 E:禁带中央能级 属 一一一一一一一一 子能量 E,:费米能级 E、,价带顶能量 E (a)平带条件 耗尽层 反型层 耗尽层 E E 一E (b)出现耗尽层，0<U。U。 (c)出现反型层，U 图11-10MOS电容的能带图 从上面的分析可知，当MOS电容器栅压 9 金属 氧化物 U6大于开启电压Uh时，由于表面势升高，如 0o 果周围存在电子，将迅速地积聚到电极下的半 界电子厂 势 y 导体表面处。由于电子在那里的势能较低，我 势阱 图11-11有信号电荷的势阱 们可以形象地说，半导体表面形成了对于电子 的势阱。习惯上，可以把势阱想想成为一个容器，把聚焦在里面的电子想象成容器中的 液体，如图11-11所示。势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近 似于外加栅压U6成正比。 如果在形成势阱时，没有外来的信号电荷，则势阱中或势阱附近由于热效应产生的
·208· 图 11-10 MOS 电容的能带图 从上面的分析可知，当 MOS 电容器栅压 UG 大于开启电压 Uth 时，由于表面势升高，如 果周围存在电子，将迅速地积聚到电极下的半 导体表面处。由于电子在那里的势能较低，我 们可以形象地说，半导体表面形成了对于电子 的势阱。习惯上，可以把势阱想想成为一个容器，把聚焦在里面的电子想象成容器中的 液体，如图 11-11 所示。势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近 似于外加栅压 UG 成正比。 如果在形成势阱时，没有外来的信号电荷，则势阱中或势阱附近由于热效应产生的 图 11-11 有信号电荷的势阱
第11章图像传感器 ·209· 电子将积聚到势阱中，逐渐填满势阱。通常，这个过程是非常缓慢的。因此，如果加上 阶跃的栅压U6>U山，则在短期内，如果没有外来的电子充填，半导体就处于非平衡状态。 此时称为深耗尽。上面提到的势阱就是指深耗尽条件下的表面上势。所谓的势阱填满 是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。 11.2.1.2电荷耦合器件CCD的工作原理 (1)电荷的定向移动：CCD的基本功能使具有存储与转移信息电荷的能力，故又称 它为动态移位寄存器。为了实现信号电荷的位移，首先必须使MOS电容阵列的排列足 够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。通常相邻的MOS电容电极 间隙必须小于3μm,甚至小至0.2um以下。其次根据加在MOS电容上的电压愈高，产 生的势阱愈深的原理。通过控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号 电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。还必须指出在CCD中电荷的转移必须按照确定的 方向。为此，在MOS阵列上所加的各路电压脉冲时钟脉冲，必须严格满足相位要求， 使得在任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。例如，电荷是向右转移，则任何时刻 当存在信号的势阱抬起时，在它右边的势阱总比它左边的深，这样就保证了电荷始终朝 向右边转移。 为了实现这种定向转移，在CCD的MOS阵列上划分以及各相邻的MOS电荷唯 单元的无限循环结构。每一单元为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各
11 ·209· 电子将积聚到势阱中，逐渐填满势阱。通常，这个过程是非常缓慢的。因此，如果加上 阶跃的栅压 UG>Uth，则在短期内，如果没有外来的电子充填，半导体就处于非平衡状态。 此时称为深耗尽。上面提到的势阱就是指深耗尽条件下的表面上势。所谓的势阱填满， 是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。 11.2.1.2 电荷耦合器件 CCD 的工作原理 （1）电荷的定向移动：CCD 的基本功能使具有存储与转移信息电荷的能力，故又称 它为动态移位寄存器。为了实现信号电荷的位移，首先必须使 MOS 电容阵列的排列足 够紧密，以致相邻 MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合。通常相邻的 MOS 电容电极 间隙必须小于 3μm，甚至小至 0.2μm 以下。其次根据加在 MOS 电容上的电压愈高，产 生的势阱愈深的原理。通过控制相邻 MOS 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号 电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。还必须指出在 CCD 中电荷的转移必须按照确定的 方向。为此，在 MOS 阵列上所加的各路电压脉冲.时钟脉冲，必须严格满足相位要求， 使得在任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。例如，电荷是向右转移，则任何时刻， 当存在信号的势阱抬起时，在它右边的势阱总比它左边的深，这样就保证了电荷始终朝 向右边转移。 为了实现这种定向转移，在 CCD 的 MOS 阵列上划分以及各相邻的 MOS 电荷唯一 单元的无限循环结构。每一单元为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各
·210 传感器技术设计与应用 自共同电极上，此共同电极称为相线。例如把MOS线列电容划分为相邻的三个为一单 位，其中第1、4、7等电容的栅极连接到同一根相线上，第2、5、8连接到第二根 共同相线，第3、6、9则连接到第三根共同相线。显然，一位CCD中包含的电容个数 即为的CCD相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有 二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲的相位差分别为120°及90°。当 这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移， 图11-12所示为三相CCD中的两位。如果在每一位的三个电极都加上图11-12(a)所 示的脉冲电压，则可以实现电荷的转移。其工作过程如图1112(b)所示。图中取表面势 增加的方向向下，虚线代表表面势的大小，斜线部分表示电荷包。在问时，1处于高 电平，而2、处于低电平，由于1电极上的栅压大于开启电压，故在1电极上形成 势阱，假设此时有外来电荷注入，则电荷将积聚到p1电极下。当时，1、：同时 为高电平，为低电平故1、p2电极下都形成势阱，由于两个电极都靠的很近，电荷 就从p1电极下耦合到p2电极下。当t时，1上的栅极小于2上的栅压，故1电极 下的势阱变"浅”，电荷更多地流向电2极下。当一时，中1、2都为低电平，只有 处于高电平，故电荷全部聚集到，的电极下，实现了电荷从电极：到·，下的转移，经 过同样的过程，因此，在CCD时钟脉冲的控制下，势阱的位置可以定向移动，信号电 荷也就随之转移，CCD就是这样工作的
·210· 自共同电极上，此共同电极称为相线。例如把 MOS 线列电容划分为相邻的三个为一单 位，其中第 1、4、7. 等电容的栅极连接到同一根相线上，第 2、5、8. 连接到第二根 共同相线，第 3、6、9. 则连接到第三根共同相线。显然，一位 CCD 中包含的电容个数 即为的 CCD 相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为 CCD 的位数。通常 CCD 有 二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲的相位差分别为 120°及 90°。当 这种时序脉冲加到 CCD 的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。 图 11-12 所示为三相 CCD 中的两位。如果在每一位的三个电极都加上图 11-12(a)所 示的脉冲电压，则可以实现电荷的转移。其工作过程如图 11-12(b)所示。图中取表面势 增加的方向向下，虚线代表表面势的大小，斜线部分表示电荷包。在 t=t1 时， 1 处于高 电平，而 2、 3 处于低电平，由于 1 电极上的栅压大于开启电压，故在 1 电极上形成 势阱，假设此时有外来电荷注入，则电荷将积聚到 1 电极下。当 t=t2 时， 1、 2 同时 为高电平， 3 为低电平故 1、 2 电极下都形成势阱，由于两个电极都靠的很近，电荷 就从 1 电极下耦合到 2 电极下。当 t=t3 时， 1 上的栅极小于 2 上的栅压，故 1 电极 下的势阱变“浅”，电荷更多地流向电 2 极下。当 t=t4 时， 1、 2 都为低电平，只有 2 处于高电平，故电荷全部聚集到 2 的电极下，实现了电荷从电极 1 到 2 下的转移，经 过同样的过程，因此，在 CCD 时钟脉冲的控制下，势阱的位置可以定向移动，信号电 荷也就随之转移，CCD 就是这样工作的